Vorrichtung zum Kühlen von Halbleiterchips mit monolithisch integrierten Schaltungen

Abstract

 In elektrischen Schaltkreisen betriebene Halbleiterstrukturen, die an einer Trägerplatte (40) befestigt sind, werden zum Zweck der Kühlung in einem Behälter (44) angeordnet, der eine Siedeflüssigkeit (46) erhält. Die vom erhitzten Bauteil (32) abzuführende Wärme wird durch Gasblasen die beim Siedevorgang gebildet werden, zu einem Wärmetauscher (50) übertragen. Die Wärmeübertragung der Siedeflussigkeit wird dadurch verbessert, dass Oberflächen der zu kühlenden Bauteile mit wärmeleitenden Elementen (34) verbunden sind, in welchen senkrecht zur Oberfläche der Siedeflussigkeit angeordnetete, die Siedeflüssigkeit aufnehmende Kanäle (36) vorgesehen sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von einer bekannten Vorrichtung zur Kühlung von in elektrischen Schaltkreisen betriebenen Halbleiterstrukturen (DE-OS 2 231 597). Die Bauteile dieser Halbleiterstrukturen sind an einer Trägerplatte in einem Behälter angeordnet,.der mit einer Siedeflüssigkeit gefüllt ist. In der Siedeflüssigkeit wird die abzuführende Wärme durch Gasblasen von einem erhitzten Bauteil zu einem Wärmetauscher übertragen. Dieser besteht aus einem von Kühlluft durchströmten Kanal, in welchem mehrere Behälter angeordnet sind, welche die Siedeflüssigkeit mit den Halbleiterstrukturen enthalten. Zum Zweck einer besseren Wärmeübertragung an den Wärmetauscher sind an den Innen- und Außenflächen einer Behälterwand Kühlrippen vorgesehen.

[0002] Bei der bekannten Einrichtung ergibt sich bei steigender Temperatur der Siedeflüssigkeit eine Wärmeübertragung je Zeiteinheit, die bis zu einem bestimmten Grenzwert der Temperatur zunimmt. Bei dieser Grenztemperatur wird die Sättigung der Wärmeübertragung erreicht, so daß höhere Temperaturen für eine Beschleunigung der Wärmeübertragung nicht mehr auswertbar sind.

[0003] Es sind ferner Vorrichtung en zur Kühlung erhitzter Halbleiterbauteile bekannt (IBM Technical.Disclosure Bulletin, Vol. 20, Nr. 11A, April 1978, Seiten 4334 - 4335). Bei dieser bekannten Einrichtung wird die Wärmeübertragung der in einer Kühlflüssigkeit angeordneten Halbleiterelemente dadurch beschleunigt, daß an deren Oberfläche wärmeleitende Stifte aufgesetzt werden, die von der Kühlflüssigkeit umgeben sind. Auch bei dieser bekannten Einrichtung konnte die Wärmeübertragung zwischen Halbleiterelementen und einem Wärmetauscher bei steigender Temperatur nicht beschleunigt werden.

[0004] Es ist auch ein Verfahren bekannt (US-PS 4 050 507), den Siedevorgang einer Kühlflüssigkeit, in welcher elektronische Bauelemente zur Kühlung angeordnet sind, zu beschleunigen. Das Verfahren besteht darin, daß durch Elektronen- oder Laserstrahlbearbeitung an der Rückseite eines in der Kühlflüssigkeit befindlichen Halbleiterchips Löcher kleinsten Durchmessers eingefügt werden. Diese bewirken die Anlagerung von Luftmolekülen, die nach dem Einsetzen eines Halbleiterchips in die Kühlflüssigkeit nicht aus dieser entweichen können. Bei der Erwärmung des Halbleiterchips ergeben sich über diesen Löchern Blasenkeime, welche den Siedevorgang schon bei niedrigeren Temperaturen einleiten. Die an der Chipoberfläche verdampfende Kühlflüssigkeit erzeugt durch die Einwirkung der Blasenkeime Dampfblasen, die zur Oberfläche der Kühlflüssigkeit aufsteigen. Unterhalb der Siedetemperatur der Kühlflüssikgkeit ist die Auftriebskraft dieser Dampfblasen jedoch so gering, daß sie die Oberfläche der Kühlflüssigkeit nicht durchbrechen können.

[0005] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Kühlung erhitzter Bauteile, insbesondere von in elektrischen Schaltkreisen betriebenen Halbleiterstrukturen so auszubilden, daß eine beschleunigte-Wärmeübertragung zwischen einem erhitzten Bauteil und einem Wärmetauscher stattfinden kann. Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die in dessen Kennzeichen angeführten Merkmale gelöst.

[0006] Die erwähnten Merkmale haben den Vorteil, daß in der Siedeflüssigkeit an einer Halbleiterfläche durch Blasenkeime erzeugte Dampfblasen durch Kanäle bestimmter Abmessungen in Auftriebsrichtung geführt und dadurch stabilisiert werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Abbildungen näher erläutert.

[0007] Es zeigen:

Fign. 1A mit der Rückseite von Halbleiterchips verbun-und 1B _dene Wärmeleiter, in welchen Kanäle angeordnet sind,

Fign. 2 ein zwischen einem Halbleiterchip und der und ³ Trägerplatte angeordneter Wärmeleiter, in welchem Kanäle angeordnet sind,

_Fign. 4 Kühlsysteme, die mit einem Behälter verbunden und 5 sind, der in einer Kühlflüssigkeit angeordnete Halbleiterchips enthält.

_Fig. 6 eine verbesserte Ausführungsform der in den Fign. 1A bis 5 gezeigten Kühlvorrichtung für Halbleiterchips,

Fig. 7 verschiedene Diagramme der zwischen einem Halbleiterchip und einem Wärmetauscher in Abhängigkeit von der Temperatur bewirkten Wärmeübertragung,

Fig. 8 verschiedene Diagramme der zwischen einem Halbleiterchip und einem Wärmetauscher in Abhängigkeit von der Temperatur bewirkten Wärmeübertragung,

Fig. 9 zwei Diagramme der zwischen einem Halbleiterchip und einem Wärmetauscher in Abhängigkeit von der Temperatur bewirkten Wärmeübertragung.

[0008] Das in Fig. 1A als Halbleiterchip ausgebildete Bauteil 10 ist durch Wärmeleiter 14 mit einer Trägerplatte 12 verbunden. Der Wärmeleiter 14 ist ein elektrisch leitendes Metall, vorzugsweise eine Lötverbindung, welche die elektrische Verbindung zwischen den Schaltkreisen des Bauteils 10 und den Anschlußkontakten 26 der Trägerplatte 12 herstellt, die als ein Modul ausgebildet ist. Die der Trägerplatte 12 abgewandte Seite des Bauteils 10 ist mit einem blockförmigen Wärmeleiter 16 verbunden, in welchem die durchgehenden Kanäle 18 angeordnet sind. Die Verbindung zwischen dem Bauelement 10 und dem Wärmeleiter 16 erfolgt durch ein Beschichtungsmaterial, wie z. B. Gold-Silicon oder Chrom-Kupfer.

[0009] Die Fig. 1B zeigt eine andere Ausführungsform eines Wärmeleiters 20, der mit einem als Halbleiterchip ausgebildeten Bauteil 10 verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform grenzen die Kanäle 22, die einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, direkt an die Oberfläche des Bauteils 10.

[0010] Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind zwischen den Wärmeleitern 14, welche das Bauteil 10 mit der Trägerplatte 12 verbinden, Kanäle 24 von ca. 0,1 mm Durchmesser angeordnet. Die Kanäle werden dadurch gebildet, daß an der Oberfläche des Bauteils 10 eine Schicht aus mikrokristallinem Wachs aufgetragen wird, in welches Fasern eingelegt werden. Nach dem Aushärten der Wachsschicht, werden die Fasern aus der Wachsschicht herausgezogen, wodurch die Kanäle 24 gebildet werden. Das als Halbleiterchip ausgebildete Bauteil -10 wird sodann durch Wärmeleiter 10, die als metallische, elektrische Verbindungen ausgebildet sind, mit der als Modul ausgebildeten Trägerplatte 12 verbunden. Gemäß der Darstellung nach Fig. 3 sind die Kanäle 24 in der Betriebsstellung innerhalb eines mit einer Siedeflüssigkeit gefüllten Behälters senkrecht angeordnet, wodurch in den Kanälen 24, welche die Siedeflüssigkeit aufnehmen, die Eildung von Elasenkcimen für die Wärmeübertragung begünstigt wird.

[0011] Die in Fig. 4 dargestellte,.Vorrichtung zur Kühlung erhitzter Bauteile, insbesondere einer Halbleiterstruktur 30, zeigt die Anordnungen von mehreren Halbleiterchips 32, die jeweils mit einem Wärmeleiter 34 verbunden sind. Dieser enthält jeweils die Kanäle 36. Elektrisch leitendes Metall verbindet die Halbleiterchips 32 mit der Trägerplatte 40. Diese bildet ein Modul, das die Anschußkontakte 42 trägt. Der Behälter 44 enthält eine Kühlfüssigkeit 46. Die Kühlflüssigkeit 46, die z. B. aus einem Perfluor-n-Hexan besteht, hat einen niedrigen Siedepunkt. In dem Behälter 44 wird ein konstanter Druck aufrechterhalten, wodurch der Siedepunkt bei einer bestimmten Temperatur gehalten wird. Die Kühlflüssigkeit 46, für welche durch die Pumpe 48 ein Kreislauf zwischen dem Behälter 46 und dem Wärmetauscher 50 hergestellt wird, verdampft teilweise durch die Erhitzung der Halbleiterchips 32. Im Wärmetauscher 50 wird der so entstandene Dampf wieder verflüssigt.

[0012] Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung für die Kühlung erhitzter Bauteile unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 4 dadurch, daß der Behälter 44, der die Siedeflüssigkeit enthält, mit einem Behälter 56 verbunden ist. Dieser enthält eine Kühlflüssigkeit 54, die mit dem Wärmetauscher 50 in Verbindung steht.

[0013] Die in Fig. 6 dargestellte Vorrichtung zur Kühlung von erhitzten Bauteilen zeigt die Halbleiterchips 66, die durch das Kontaktmaterial 62 mit der Trägerplatte 64 verbunden sind. Die Halbleiterchips 66 sind an dem von der Trägerplatte 64 abgewandten Seite mit Wärmeleitern 65 verbunden, in welchen durchgehende, mit der Siedeflüssigkeit 72 gefüllte Kanäle vorgesehen sind. Die Kanäle sind bezüglich der Oberfläche der Siedeflüssigkeit 72 senkrecht angeordnet. Dadurch können die in den Kanälen gebildeten Blasen durch ihren Auftrieb in der Siedeflüssigkeit ungehindert aufsteigen. Ein von der Siedeflüssigkeit umgebener wärmeleitender Stift 67 ist jeweils an der Rückseite eines Wärmeleiters 65 durch die Wirkung einer Feder elastisch aufgesetzt. Die wärmeleitenden Stifte werden gekühlt durch eine Platte 70, die von einer Kühlflüssigkeit 74 durchströmt ist.

[0014] Die anhand der Ausführungbeispiele beschriebenen Wärmeleiter, die mit den erhitzten Bauteilen verbunden sind, bestehen aus einem gut wärmeleitenden Material, wie z. B. Kupfer, Silicon, Molybden usw. Die in den Wärmeleitern vorgesehenen Kanäle, welche die Länge L und den Durchmesser D haben, zeigen für die Ausführungsbeispiele der Fign. 1A und 1B ein Verhältnis

- 4 bis 7. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fign. 2 und 3 ist das Verhältnis

~ 30 bis 70.

Beispiel 1:

[0015] Ein Siedeversuch wurde mit einer Kühlvorrichtung durchgeführt, bei welcher ein 4,6 mm x 4,6 mm Halbleiterchip, gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1A, auf eine Trägerplatte mit 25 mm x 25 mm montiert ist. Der Wärmeleiter bestand aus Kupfer mit den Abmessungen 6,0 mm x 6,0 mm x 1,5 mm, der vier Kanäle enthält, die einen Durchmesser von einem Millimeter bei kreisförmigem Querschnitt aufweisen. Die Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und dem Wärmeleiter wurde durch zwei Tropfen von Silberepoxyharz hergestellt, die zwischen der Kante des Wärmeleiters und der Trägerplatte eingeführt und unter einem Gewicht von 40 g ausgehärtet wurden. Die aus dem Halbleiterchip und dem Wärmeleiter mit Kanälen bestehende Anordnung wurde sodann in einen Behälter eingesetzt, der mit Perfluor-n-Hexan gefüllt war. Der Behälter wurde sodann auf 54 C erhitzt, der gasdicht verschlossen war. Alle Versuche wurden anhand des gasdicht verschlossenen Behälters bei ungefähr konstantem Druck von 1 Atmosphäre durchführt, wobei die Kapazität des Wärmetauschers an die Verlustwärme des Halbleiterchips angepaßt war. Am Halbleiterchip angebrachte, mit einer Vorspannung betriebenen Dioden dienten als Temperaturfühler. Die in Fig. 7 dargestellte Kurve 80 zeigt in Abhängigkeit von der Temperatur die Wärmeübertragung eines Chips, das mit einem Wärmeleiter verbunden ist, der Kanäle enthält. Die Kurve 82 zeigt eine Messung mit einem aus Nickel-Eisen-Kristall bestehenden Halbleiterchip. Die Kurve 84 zeigt eine Messung mit einem Halbleiterchip, das durch Sandstrahlen und Ätzen mit Kalilauge behandelt wurde. Die Kurve 86 zeigt eine Messung mit einem unbehandelten Halbleiterchip. Aus den Darstellungen nach Fig. 7 geht hervor, daß bei Anwendung eines Wärmeleiters aus Kupfer, der Kanäle aufweist, die Wärmeübertragung 20 W überschreitet, ohne daß der Endsiedepunkt erreicht wurde.

Beispiel 2:

[0016] Die Fig. 8 zeigt die Gegenüberstellung der Wirkungen der Kühlvorrichtung bei Kanälen, die in den Wärmeleitern senkrecht oder horizontal angeordnet sind. Die Kurve 88 zeigt den temperaturabhängigen Verlauf der-Wärmeübertragung bei Kanälen, die im Wärmeleiter der Kühlvorrichtung, bezüglich der Standebene des Behälters der Kühlvorrichtung, senkrecht angeordnet sind. Die Kurve 90 zeigt den temperaturabhängigen Verlauf der Wärmeübertragung bei Kanälen, die im Wärmeleiter bezüglich der Standebene des Behälters der Kühlvorrichtung horizontal angeordnet sind. Die Kurve 92 zeigt den temperaturabhängigen Verlauf der Wärmeübertragung, wenn der Wärmeleiter lediglich als ein Block ohne Kanäle ausgeführt ist.

Beispiel 3:

[0017] Die Fig. 9 zeigt den temperaturabhängigen Verlauf der Wärmeübertragung bei Kühlvorrichtungen, deren Wärmeleiter, die mit den erhitzten Bauteilen verbunden sind, gemäß den Darstellungen nach den Fign. 1A und 1B ausgeführt sind. Die Kurve 94 zeigt den Verlauf der temperaturabhängigen Wärmeübertragung bei einer Vorrichtung nach Fig. 1A und die Kurve 96 zeigt den temperaturabhängigen Verlauf der Wärme- übertrag bei einer Vorrichtung nach Fig. 1B.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Kühlung erhitzter Bauteile, insbesondere von in elektrischen Schaltkreisen betriebenen Halbleiterstrukturen, die an einer Trägerplatte in einem Behälter angeordnet sind, der mit einer Siedeflüssigkeit gefüllt ist, in welcher die abzuführende Wärme durch Gasblasen von einem erhitzten Bauteil zu einem Wärmetauscher übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß Oberflächen der Bauteile (10, 32, 66) mit Oberflächen von Wärmeleitern (16, 20, 14, 34, 65) verbunden sind, in welchen senkrecht zur Oberfläche der Siedeflüssigkeit (46, 72) angeordnete, die Siedeflüssigkeit aufnehmende Kanäle (18, 22, 24, 36) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siedeflüssigkeit (46, 52, 72) eine niedrige Siedetemperatur aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der mit einem erhitzten Bauteil (10, 32, 66) verbundene Wärmeleiter (16, 20,.34, 65) an der von der Trägerplatte (12, 40, 64) abgewandten Seite des Bauteils angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der mit einem erhitzten Bauteil (10) verbundene Wärmeleiter (14) zwischen der Trägerplatte (12) und dem Bauteil angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß an der von der Trägerplatte (64) abgewandten Seite des Wärmeleiters (66) ein von der Siedeflüssigkeit (72) umgebener wärmeleitender Stift (67) federelastisch aufgesetzt ist.

Zeichnung